论文部分内容阅读
氯乙基亚硝基脲(CENUs)作为临床上重要的抗癌烷化剂，广泛应用于脑瘤、淋巴瘤和黑色素瘤等恶性肿瘤的治疗。研究表明，CENUs主要引起互补的鸟嘌呤和胞嘧啶(G-C)之间的交联，但对于CENUs烷化DNA碱基并进一步导致G-C交联的反应机理以及交联过程中烷基转移酶参与的DNA损伤修复机制尚不明确。因此，我们使用量子力学结合分子模拟对CENUs导致DNA股间交联及其修复机理进行了研究。使用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-31+G(d,p)的水平上对CENUs导致G-C交联的三条反应路径进行了研究，优化了所有反应物、产物、中间体和过渡态的分子结构，获得了个反应路径的能垒图。结果表明，通过中间体O~6,N1-桥亚乙基鸟嘌呤(O~6,N1-EtG)生成交联产物G(N1)-C(N3)为最优势路径：交联反应从CENUs分解生成的氯乙基重氮盐离子对鸟嘌呤O~6位的进攻开始，首先生成O~6-氯乙基鸟嘌呤(O~6-ClEtG)；然后通过N1位和β-碳原子之间的分子内关环反应生成活泼中间体O~6,N1-EtG；最后O~6,N1-EtG中α-碳原子进攻胞嘧啶N3位形成交联产物G(N1)-C(N3)。其中，分子内关环反应为整个交联过程的控速步骤，反应能垒为20.59kcal/mol。与其它两种可能的交联产物G(O~6)-C(N~4)和G(N~2)-C(O~2)相比，G(N1)-C(N3)的生成不论在热力学还是动力学上均是最有利的。该结果与我们研究BCNU导致小牛胸腺DNA股间交联的实验结果一致，为CENUs对DNA交联作用的实验研究提供了有力的理论支持。在亚硝基脲类抗癌药物的临床应用过程中，肿瘤细胞的耐药性严重限制了该类药物的进一步应用与开发，同时也使得耐药机制的阐明成为了研究热点。在肿瘤细胞对CENUs耐药机制的相关研究中，最受关注的是O~6-烷基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶(AGT)对DNA损伤的修复作用，其中涉及本课题的AGT对DNA股间交联的修复作用虽有相关实验研究的报道，但修复反应的机制尚未阐明。我们使用量子力学、分子力学以及二者相结合的方法(QM/MM)对AGT对DNA股间交联的修复机制进行了研究。首先，使用密度泛函B3LYP方法在6-31+G(d,p)水平上研究了组胱二肽修复O~6-ClEtG和O~6,N1-EtG两种损伤产物的反应机理。然后，用Amber软件构建了O~6-ClEtG和O~6,N1-EtG两种损伤产物的小分子力场，并对AGT-O~6-ClEtG和AGT-O~6,N1-EtG两种体系进行了Amber力场的MD模拟，获得了两种稳定的构型。最后，截取两种稳定构型的活性中心，使用ONIOM方法在B3LYP/6-31+G(d,p):AM1水平上对AGT修复O~6-ClEtG和O~6,N1-EtG两种损伤产物的反应机理进行了研究。结果表明，AGT与O~6,N1-EtG反应生成DNA-蛋白交联的途径比AGT与O~6-ClEtG反应生成的氯乙基AGT(ClEtAGT)的途径有利。这表明AGT更易于修复鸟嘌呤烷化物进一步反应形成的O~6,N1-EtG活泼中间体，而非O~6-ClEtG本身。相对于形成ClEtAGT，O~6-ClEtG更倾向于发生分子内环化而形成O~6,N1-EtG。对于O~6,N1-EtG中间体来说，它既可以与互补的胞嘧啶反应生成DNA股间交联，也可以与AGT反应形成DNA-蛋白交联。计算结果表明，二者的反应能垒相差不大，可见，AGT参与修复后形成DNA-蛋白交联与CENUs导致DNA股间交联而发挥抗癌作用是竞争性反应。该结果为已有实验中得出的结果提供了充分的理论阐释。本课题揭示了CENUs导致DNA股间交联的反应机理，阐明了AGT对CENUs导致DNA股间交联的修复反应机制。优化了交联和修复机理中的各种反应物、产物、中间体和过渡态的分子结构，获得了反应活化能垒、吉布斯自由能和焓等能量参数。通过比较所有可能的反应途径，确定了交联和修复过程中的最优反应途径，从而阐明了反应机理。本研究将对于深入理解AGT导致亚硝基脲耐药性进而设计和开发更加高效的亚硝基类抗癌药物以及联合用药具有重大的意义。